JP4040103B2 - Wave energy extraction - Google Patents

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    • Y02E10/30Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Description

技術分野
本発明は主に、自然エネルギを動力化し、波浪からのエネルギを電力などの利用しやすいエネルギ形式に変換するためのシステムに関する。
特に、本発明は、波の上下動を用いて、発電機に連結された風力タービンに多量の空気を送り込む波力エネルギ抽出システムおよびそのコンポーネントに関する。本発明の好ましい形態では、波は特別に構成された空気圧縮室に送られる。この空気圧縮室の排気口内には適宜動作する風力タービンが配置されている。
この目的のために、本発明の様々な態様は、新規な集波装置と、この新規な集波装置と一緒に用いるのに特に適している空気圧縮室配置と、上記にて述べた周期的な往復空気流条件下で一方向に回転するよう動作する独立した新規な風力タービンとを含む。
本願明細書では、組み合わせで完全なエネルギ変換システムを構成する本発明の様々な態様について説明するが、これらのコンポーネント、特にタービンのコンポーネントは各々、他の無関係な用途で使用するのにも適していることがあることを理解されたい。あるいは、本文書では詳細を説明しない新たな他のコンポーネント装置または既存の他のコンポーネント装置と組み合わせる場合には、各々同様のエネルギ変換システムに取り入れてもよい。
発明の背景
従来の燃焼可能な炭化水素燃料源の資源が限られていることや、このような燃料を使用することで生じる有害な廃棄物についての関心から、波、風、潮流、地熱、太陽熱などの環境を汚染せずに持続できるエネルギ源に対してかなりの研究調査がなされてきた。
エネルギを風や太陽熱などの他のものから変換することについては大幅な技術進歩がみられているが、今日までに提案された風力発電システムの大多数は、物理的な実用性を欠くおよび/または経済的に実用的とはいえないものである。
この点に鑑みて、多数の異なる種類の波力発電システムが提案されているが、その大半が波の動きに固有の垂直運動を用いた基本原理に基づいて、これに応じて発電システムのコンポーネント変位させている。しかしながら、今までに提案されたシステムにはいずれも制約がある。
例えば、このようなシステムの1つでは振動する浮体を利用し、その運動を直接または間接的に電力に変換している。しかしながら、これらの浮体システムは通常、エネルギ変換効率が悪く、悪天候条件に耐えることができない。これは、このようなシステムが波のパターンが穏やかで予測可能な沿岸地域で使用するのに限られるか、あるいは嵐が来ると思われるときには適当なシェルターにてシステムを保護するということを意味する。
他のシステムには、排水ポンプを介して波を運ぶか、あるいは大きなタンクまたはリザーバに貯水し、この貯水の静水圧を用いてタービン発電機を駆動するなどの概念に基づくものを含む。繰り返すが、関連して投資コストがかかるわりに全体のエネルギ変換効率は比較的低い。
今までに提案されたシステムの他のタイプの選択肢のうち、もっとも将来性のあるものの1つが、本発明の基本となっているものでもあり、波の垂直移動を回転移動に変換して直接または間接的に発電機を駆動するものである。これらのシステムでは、海水の上下動を伝達して空気圧縮室内で動力化する。空気圧縮室は、出口側に排気ダクトまたはベンチュリを有し、この中に、波の運動によって発生する周期的な振動空気流下で一方向に回転するよう動作可能な種類の風力タービンが配置されている。
繰り返すが、このような後者の波浪駆動式空気タービンシステムの主な欠点は、全体として達成可能なエネルギ効率に限りがあるという点である。これは主に、第1に波浪エネルギを集めて波浪の最大変位振幅にするための手段が制約され、第2にこのタービンの設計上やむを得ない動作効率によるものである。
第1の場合には、波の垂直方向の変位または振幅が大きくなるように、従来技術の集波装置の大半が、波面の平坦な跳ね返りおよび/または狭い開口を介しての波面の移動に頼っている。他のものとしては、海床の形状を変化させ、波の伝搬を制御しながら遮断し、これによって予め定められた位置で波の振幅を最大にする様々な手段が挙げられる。ここでも、このようなタイプのシステムは、今までのところ一定レベルの設備投資のわりに達成可能な波浪の最大振幅の点で限りがある。
第2のケースでは、従来技術のタービンの大半は、一方向のみの流体流に応答して一定速度で回転するように設計されており、それ自体が上述したような種類の波力発電の用途で発生するような往復流体流条件に応答して連続動作を行うことができないものである。しかしながら、このような往復流条件に合わせて多数の特別に構成された一方向タービンが設計されており、最も一般に用いられている装置は「ウェルズ」タービンとして知られているものに基づいている。
当初のウェルズタービンは、翼形断面が翼弦線を中心に略対称の半径方向に延在するブレードを有し、これらのブレードが動翼の軸に垂直で浮き上がりゼロで翼面と固定されるモノプレーン(monoplane)軸流タイプの構造物であった。
しかしながら、これらの初期のタービンは、失速の問題があり、これによって波浪エネルギの動力化プラントが停止してしまうことが知られていた。この失速は、このようなタービンでは予測空気流レベル前後に設計しておく必要があるが、タービンの空気室に流入する波を全ての場合について制御することは不可能であるという事実がゆえに起こるものである。したがって、大きな波が空気室に入り込むと、そのモーメントによってかなり高速の空気がタービンのブレードを通過する。ブレードの形状によってブレードの回転速度を相応に高め、このように増大した空気流に対応することはできないため、ブレードに対する空気流の迎え角が大きくなって失速角を上回り、タービンが停止してしまう。
後者の従来技術の装置の中には、モノプレーン(monoplane)ウェルズタービン2台を直列で効率よく設置し、バイプレーン(bi−plane)タービンを得ることによって、上記の問題を克服しようと試みたものがある。このように一部変更されたシステムは失速の問題を解決はするが、全体としての効率が落ちることと引き替えである。これは、第1の組のブレードが相応に失速して停止できるようにすることで第1の組のブレードを犠牲にし、第2の組のブレードでペースと効率を落として動作を継続しているためである。これは、第1のタービンによって空気流を失速させて遮断することで、全体としての空気流速が減少して穏やかになるためである。
これらの従来技術のタービンはまた、上述したような種類の往復駆動空気流が周期的に供給される条件で滑らかな連続回転を行うために、通常は低回転高質量構成に頼っている。
したがって、この種の用途に適した従来技術のタービンのほとんどは、設計上極めて複雑であることが多く、かつ通常は動作条件および/または効率面で厳しい制約があることが理解できよう。
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点のうち1つまたは複数を克服または少なくとも低減するか、あるいは少なくともこれらに対する有用な他の選択肢となる、波力エネルギ抽出システムおよび/またはその1つまたは複数のコンポーネントを提供することにある。
発明の開示
本発明の第1の態様によれば、湾の入り江から、平面で、略部分放物線状の曲率を有する2つの収斂側壁を内周にて規定するよう構成された略直立する壁によって境界が定められる入海を含み、壁の延長線上にある前記放物線の各々の対称軸が平行であり、側壁がその収斂端に隣接して接合され、共通の頂部を形成し、前記壁が前記対称軸に略平行な方向に伝搬する進行波を受け入れる向きで配置され、波が壁から跳ね返る際に、この波が前記放物線の各々の焦点の位置または焦点に隣接する位置にある頂部付近のエネルギ動力化領域に収斂することによって、波の垂直方向の変位をその領域で増幅する平面波集波増幅構造物が得られる。
望ましくは、部分放物線曲率の収斂側壁が、空気圧縮室の後壁部分も規定する端壁部分によって共通の頂部で接合され、圧縮室の前部分が、後壁部分の前に延在する前壁断面によって規定され、エネルギ動力化領域の周囲に予め定められたエリアの境界を規定し、波を形成している水が前壁の下を流動して圧縮室内を上るように前壁断面が予測水位よりも一部のみが低い位置に延在している。
好ましい形態では、壁は、平面断面で、単一の放物線またはこれに極めて近似した形状の端部分を内周にて規定するように構成され、波が壁から跳ね返る際に、この波が上記の放物線の単一の焦点位置またはこれに隣接した位置の領域で収斂する。
構成コストを低く抑えられる場合もある他の形態では、構造物に空気圧縮室を備え、後壁部分を一部既存の海岸線で形成し、圧縮室の壁から延在する、部分放物線状の曲率を有する考え得る比較的短い2つの側壁によって簡単に湾を規定してもよい。通常、放物線的に曲がった側壁の長さについての折衷はいずれも、エネルギ動力化領域の境界を規定する空気圧縮室の平面エリアを延在させることによって補償される。
好ましくは、放物線の対称軸に対して略垂直な方向に沿って一定深度の略平坦な海床によって、湾の底で湾の境界がさらに定められる。海床の深度および(傾斜がある場合には)傾斜は、現地の地層、波の状態ならびに増幅された波をエネルギ抽出用に動力化する方法に応じて変えることができる。一般的な目的は、理想的には動力化領域に入る前に砕波せずに波倍率を最大にできるように現地の条件を最適化することである。例えば、好ましい一形態では、動力化領域に向かって海床を上方向に傾斜させ、その位置で水が上方向に集波するのを助ける形をとってもよい。
好ましくは、放物線の焦点距離が進入波長の1/7以下であり、多くのケースではこれによって焦点距離が5〜15メートルになる。
本発明の第2の態様によれば、ほぼ軸方向の往復流体流が通過する場合に一方向に回転するよう動作可能であり、動翼を含むタービンであって、この動翼が、
中央ハブと、
半径方向にまっすぐ延在し、各々前記ハブに連結された断面翼形の複数のブレードと、を備え、
前記ブレードの各々の断面が、最大反り高を規定している線を中心にほぼ対称であり、半径方向の端から端までがほぼ一定であって、
これによって、ブレードおよびハブに対するブレードの向きのほぼ対称な形状が、ブレードを通過する軸方向の往復流体流に応答して動翼が一方向に回転しやすくなるタービンが得られる。
好ましくは、各ブレードが、前記翼形断面の翼弦面とハブの軸との間の最大内角が0°〜90°、さらに好ましくは0°〜例えば45°になるようにハブに連結されている。
望ましくは、上述した最大内角が調節可能であり、さらに、好ましくは往復流体流に同期して反転可能であり、これによって両方向での流体流に対する迎え角を最適化する。
ブレードピッチの反転については、例えば、各ブレードが装着された中央のスピゴットを回転させるように配置されたモータ駆動式のベベルギアアセンブリを使用するなど、様々な方法で達成できることを理解されたい。もう1つの変形例では、各ブレードが、動翼の軸に沿って往復移動可能である、螺旋方向にキー溝が施された作動軸と協動するオフセット動作側壁を有するスピゴットに取り付けられている。
特定の条件の組み合わせに適した好ましい一形態では、最大内角は−30°〜+30°の間であり、往復流体流に応答して反転可能である。作用流体が空気などの気体である本願明細書に記載したような種類の用途に特に適したもう1つの好ましい形態では、ブレードピッチの反転は気体流の反転点を検出するように配置された圧力変換器に応答する手段による。
望ましくは、中央ハブを中心に等間隔でブレードが配置されている。特定の用途に適したいくつかの好ましい形態では、動翼が4枚から16枚のブレードを含む。弦節比は、広い範囲で変更可能であり、0.2〜0.8の範囲に含まれることが多い。好ましいブレード翼弦比は18%であり、好ましい翼形は標準的なNACA65−418翼形の前半分がマージされた形を含む。
本発明の第3の態様によれば、
予め定められた平面位置において、周期的な垂直ピークを大きくして進入波の波底変位とする集波手段と、
ほぼ水中に沈んだ吸水口を有し、前記予め定められた平面位置の場所またはこれにすぐ隣接した場所に配置されて、多量の空気がその上で変位することで対応する周期的な往復空気流が生成されるように、周期的に振動する波を受け入れる空気圧縮室と、を含み、
前記圧縮空気室が、前記往復空気流に応答して一方向に回転するよう動作する空気駆動式タービンが内部に設けられた排気口も有する波浪エネルギ抽出用システムが得られる。
望ましくは、タービンは本発明の第2の態様に従って構成されたものである。
好ましくは、集波手段が、本発明の第1の態様による略放物線状の平面波集波増幅構造物を備え、放物線の頂点が予め定められた平面位置内にくる。
望ましくは、空気圧縮室が、空気流を加速するように吸水口から排気口に向かって収斂するように構成されている。好ましい一形態では、空気圧縮室が、その排気口に隣接したベンチュリを含み、空気駆動式タービンがベンチュリの首部内に位置する。
他の好ましい形態では、タービンに関連した空気圧縮室排気口および/または囲い板および/または静翼が、タービンに出入りする空気流の方向を最適化するための案内羽根を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
以下、図面を参照して、一例としての本発明の好ましい実施例について説明する。
図1は、入り江からの側壁が、平行かつ互いに離隔した対称軸を有する2つの部分放物線状部分によって形成された、本発明の第1の態様による第1の実施例の集波増幅構造物の概略平面図である。
図2は、1つの放物線の端部によって壁がほぼ規定され、動力化領域で達成可能な波の谷の最大変位を示す本発明の第1の態様による第2の実施例の平面波集波増幅構造物のコンピュータ生成による概略斜視図である。
図3は、エネルギ動力化領域で得られる波頂の最大変位を示す、図2に示す構造物のコンピュータ生成による概略斜視図である。
図4は、図2および図3に示すような、第2の実施例の放物線状平面波集波装置の縮小グラフ図である。
図5は、第3の実施例の平面波部分放物線状集波増幅構造物の概略断面図である。
図6は、ブレードが内角0°で中央ハブの軸に固定されている、本発明の第2の態様による第1の実施例のタービン動翼の概略斜視図である。
図7は、ブレードピッチが調節可能であり、タービン内を通る往復空気流に応答してピッチを反転させることができる、本発明の第2の態様による第2の実施例のタービン動翼の概略斜視図である。
図8は、ブレード1枚とブレードのハブへの連結部分とを示す図7のタービン動翼の部分図である。
図9は、図6、図7および図8に示すタービン動翼のブレード1枚の概略横断面図である。
図10は、第1の実施例のタービンのブレードピッチ変更反転メカニズムを示す概略断面図である。
図11は、図10に示すメカニズムの部分平面図である。
図12は、第2の実施例のタービンのブレードピッチ変更反転メカニズムを示す概略図である。
図13は、図12に示すメカニズムの部分平面図である。
図14は、本発明の第3の態様による第1の実施例の波浪エネルギ抽出装置の概略断面図である。
発明の好ましい実施例
まず図1を参照すると、全体を参照符号1で示す、本発明の第1の態様による第1の実施例の集波構造物が示されている。
構造物1は略直立する防潮壁3によって形成された入海2を含んでいる。壁3は、その内周部分4において凹形に湾曲し、略部分放物線状の曲率を有する2つの収斂側壁5を平面で規定している。側壁の延長線上にある放物線のそれぞれの対称軸6および7は互いに平行である。側壁5は、その収斂端に隣接して接合され、共通の頂部8を形成している。壁3は、対称軸6および7に略平行な方向に伝搬する進行波を受け入れる向きで配置されている。
図5は、周囲の海岸線の一部として、あるいは湾に向かって外方向に延在する長い放物線状の側壁を有する壁を湾に構築するには費用がかかりすぎる場合や壁の構築が不可能である場合に使用できる、図1に示す構造物のもう1つの変形例を示している。この場合、共通の頂部8に直接つながる比較的短い部分からなる放物線状側壁5を構成し、これによって断面図において11で示す空気圧縮室の壁部分も同時に形成して折衷案とする。
図2、図3および図4は、焦点9が1ヶ所である単一の放物線またはこれに極めて近似した形状の端部分として構造物が形成された、好ましい形態を示している。
外洋の波は膨大な量のエネルギを持っているが、通常は平面波であるため、各波頭のエネルギは波頭に沿って散逸してしまう。本発明の第1の態様による放物線状または部分放物線状の集波増幅構造物を設ける目的は、このエネルギを中央の領域1ヶ所に移動すなわち収斂させ、そこからエネルギを動力化可能にすることである。
使用時、平面波が放物線状または部分放物線状の壁3に向かって対称軸6および7のうち一方(または両方)に略平行な方向で前進するように、集波構造物は上記のような向きで配置されている。壁3の放物線状部分5に衝突すると、波は跳ね返ってそれぞれの放物線の対応する焦点9または9と10に向かって収斂する。図2、図3および図4の好ましい第2の実施例で示すように壁が単一の放物線の一部を規定する場合には、波は円形波または極波として単一の焦点9に向かって収斂する。この地点で波の変位振幅かなり大きくなり、この地点が、上記の海水変位を他の一層利用しやすいエネルギ形態に変換するための好適な手段を設置する完壁な平面位置になる。これは、図5では空気圧縮室11の位置に対応する、全体を12で示すエネルギ動力化領域として規定されている。この領域の平面での大きさは特に決まっているわけではなく、このエリアで達成するエネルギ散逸に一部依存する形で定められることは明らかである。
上述した略放物線状または部分放物線状の集波増幅構造物を用いてエネルギを最大限に回収するためには、満足する必要のある条件がいくつかあることに注意されたい。
第1に、波頂が各放物線の対称軸6および7に対して平行に近い状態となる理想的な形で伝搬されなければならない。わずかな変動であれば若干エネルギが損失するだけで許容可能であると思われるが、1本以上の対称軸と波の伝搬方向との間の角度が大きくなるにつれてエネルギ集中部分に多くの散逸が存在し、システムの効率が悪くなる。沿岸では次第に水深が浅くなり、波の入射角が大きく変わることはないため、集波構造物を正確な向きに設置することが大きな関心事になることは通常はない。
平面波の部分が放物線ドメインに流入した後は、波の方向を乱さないようにするために、海底が放物線の軸を通って平坦または平面となり、かつ十分な深さにくるのが理想的である。あるいは、これ以外の場合、非線形効果によって波頂が成長する際に動力化領域に入る前に砕波しないように海底を構成する。予備研究によって、特定の一用途では大半が入り江での水深約6メートルで十分であるが、寄せ波条件ではこれが最大であるということが示された。
極めて大きな三角波あるいは不規則な進入波であるためにエネルギが最初に分散してしまう場合には、焦点9または9と10からもエネルギが多少分散する。これによるエネルギ損失または上述した条件のうちいずれかによるエネルギ損失は、放物線ドメイン内で大きく変化するだけの時間または空間的な余裕を波に与えないように焦点距離を適宜選択することによって、低減することが可能である。繰り返すが、様々な用途で焦点距離を波長の約1/7にすると適していることが予備研究によって示された。波長は一般に35〜105メートルであるため、焦点距離に換算すると約5〜15メートルになる。
この種の集波装置の持つ可能性は大きく、放物線の開幅(opening width)に対応する長さの非集約波に存在するよりも24%多くのエネルギが放物線ドメインに流れ込むことがコンピュータによるシミュレーションから明らかである。これは波が約3倍になった計算になる。データに対する試験では、倍率2.5であれば容易に得られることが分かった。
しかしながら、事実上の損失があるため最大理論エネルギレベルにはならない。例えば、単一の放物線状構造物を実際に動作させる場合、外洋の側で失われるセクタがあるため、焦点で収斂する円形波は事実完全な円にはならない。この失われるセクタのエッジでは、放物線のドメインへのエネルギ回折がいくらかある。また、放物線状の湾に隣接して位置する沿岸構造物および海床の凹凸からの干渉波反射が原因の損失もある。
以下、本発明の第2および第3の態様ならびにこれに関連した図6乃至図14を参照して、上記のエネルギ抽出および変換を達成するのに好ましい手段について説明する。
図6を参照すると、ほぼ軸方向の往復流体流が通過する場合に一方向に回転するよう動作可能な、本発明の第2の態様による第1の実施例のタービンの動翼20が示されている。
動翼20は軸22を有する中央ハブ21を含む。この軸から延在しているのは、半径方向にまっすぐ延在する断面翼形の複数のブレード23である。
望ましくは、ブレード23は、一方の側に略平坦な表面24があり、対向する側に略凸形の表面25がある、図9に示すような一般的な輪郭の翼形断面を有する。翼弦線(ブレードの長手方向に延在する翼弦面とも呼ばれるものも示している)全体を26で示す。図示のように、各ブレードの断面も、ブレード断面の最大反り高を規定している線27を中心にほぼ対称であり、半径方向の端から端までがほぼ一定である。
図6に示す第1の実施例では、各ブレードの翼弦面が、内角0°で中央ハブの軸22と一列すなわち平行に配置されている。このように、タービンに入る空気流は、どちらの軸方向からきても動翼ブレード23に対して同一の入射角になり、上記の通り動翼の回転は同じになる。この点に鑑みて、流体が通過する際に略平坦なブレード表面24に加わる正味の力は、ベルヌーイ効果と、ブレードの平坦な側と凸形の側との間で得られる圧力差とがゆえに、いずれの方向からの流体流であっても同じ方向になり、大きさは正反対の2つの方向での相対空気流に左右される。
このような固定ブレードの構成は、低速での様々な用途において満足のいくものであるが、動翼の回転速度が増すにつれて、駆動流の迎え角が最適なものではなくなり、タービンの動作効率に影響がおよぶ。
この問題に対処するために、本発明の第2の可変ピッチの実施例を図7および図8に示すように提案する。この実施例では、各ブレード23を中央のスピゴット(central spigot)28などによって中央ハブ21に連結する。このスピゴットは、適当な中間メカニズムによってブレードの回転を容易にし、ピッチを変更する。
ブレードピッチを調節するためのメカニズムは、動翼を通る往復流体流に同期してピッチが自動的に反転し、迎え角が両方の方向で最適化されるように構成されていると好ましいことに注意されたい。明らかに、一方向でのみ最適化されるように動翼を固定する場合には、空気流が反転すると、大半の場合は図4に示す固定平行ブレード構成で得られる可能性のある一切の利益を相殺する以上に悪影響が及ぶ。
図10乃至図13に、一例として2つの好適なメカニズムを示す。この点に鑑みて、図10および図11は、各ブレード23がスリーブ29によって中央に位置するスピゴット28に固定され、このスピゴットが動翼のハブ21に固定連結された単純な配置を示している。同じくハブ21に固定連結されているのは、軸方向に懸架されたピニオンギア31を駆動する適当なモータ30である。ピニオンは、中央ハブ21を中心に自由に回転可能な関連の環状のベベルギア33を有する平歯車32と係合する。
ブレード23の中央のスピゴット28のスリーブ29の端部には、このスリーブよりも小さく、環状のベベルギア33と係合するベベルギア34が設けられている。各ブレードについて同様の配置がなされる。このように、タービンが高速で回転している間であっても、上述したギアメカニズムによって動翼の軸に対するブレードの傾斜を変化させることができる。
図12および13は、ブレード23の回転が対角線方向にキー溝が施された作動カラー(actuating collar)35の軸方向の往復運動によって達成される他の配置を示している。このカラーのキー溝は、オフセット作動側壁37に取り付けられた係合ピン36と係合し、これによって中央のスピゴット28を軸にしてブレードを回転させる。
この種のタービンで提案される用途ごとに特定の条件およびエネルギ内容について評価する必要のあるパラメータが多数あることは、タービン設計の当業者であれば理解できよう。これらのパラメータとしては、ブレードのアスペクト比(翼弦比)、ブレードの翼弦長、タービンの弦節比(効率的にはブレード長対ハブ直径比)、ブレード数、ブレードが空気流の方を向くことができる最大角(すなわちブレードピッチ)などが挙げられる。1つの特定の用途で適しているものとして提案された一例では、ブレード翼弦比18%、翼弦長0.4インチ、ハブ直径1.2メートル、ブレード長0.45インチ、合計12枚のブレードで、ブレードの翼弦面とハブ軸との間の最大内角が30°である。好ましい翼形は、標準的なNACA65−418翼形の前半分の部分がマージされた形を含む。
次に図14に移ると、本発明の第3の態様による第1の実施例の波浪エネルギ抽出用システム40の概略断面図が示されている。
システム40は全体を41で示す集波手段を有する。この集波手段は、中心を線42で示す予め定められた平面位置すなわち動力化領域12において、周期的な垂直ピークを大きくして進入波の波底変位とするために用いられる。
動力化領域の境界を定める平面位置42の場所またはこれにすぐ隣接した場所に配置されているのは、空気圧縮室43である。圧縮室は、ほぼ水中に沈んだ吸水口44を有し、周期的な振動波が流入すると多量の空気45が変位して対応する往復空気流を生成するような大きさである。
望ましくは、圧縮室は全体を47で示す空気駆動式タービンが内部または隣に設けられた排気口46に向かって収斂している。
使用時、位置42に隣接して周期的な垂直ピークを大きくして波の波底変位にすることができるように進入波を集波する。このように、往復体または水柱が吸水口44を介して空気圧縮室43内で振動し、これによってその上で空気45がピストンのように作用する。例えば、寄せ波の時には、空気45は排気口46の方に向かって変位し、圧縮室の壁およびダクトに近づき、変位した空気流を加速する。このように加速された空気流を強制的に空気駆動式のタービンに送り、その回転を発電所などで利用することができる。引き波の時には、空気は下方向に引っ張られて圧縮室に入り、往復空気流に応答して一方向に動作するように構成されたタービンを再度回転させる。
好ましい形態では、このシステムは本発明の第1の態様の放物線状の集波装置と、本発明の第2の態様による一方向タービンとを利用している。このように、これらのメカニズム各々が持つ非常に優れた効率を兼ね合わせることで、極めて実用性の高い波エネルギ抽出プロセスが得られる。
しかしながら、先に示したように、このシステムの各コンポーネント、特に集波装置およびタービンは、各々他の用途でも利用でき、あるいは本願明細書では詳細に説明していない他の装置との組み合わせで利用することもできるのは明らかであろう。これは、特に、様々な作用流体と一緒に使用される多数の互いに無関係な用途を有するタービンに関連している。
したがって、簡単にまとめると、具体的な実施例を参照して本発明の各態様を説明したが、これらの様々な態様および特にこれらの態様を取り入れた組み合わせによるシステムは各々、様々な別の形態で実施することもでき、いずれも以下に権利請求する本発明の各態様の範囲に包含されることは明らかであろう。
Technical field
The present invention primarily relates to a system for powering natural energy and converting energy from waves into an easy to use energy format such as electric power.
In particular, the present invention relates to a wave energy extraction system and components thereof that use a wave up-and-down motion to deliver a large amount of air to a wind turbine coupled to a generator. In a preferred form of the invention, the waves are sent to a specially configured air compression chamber. A wind turbine that operates as appropriate is disposed in the exhaust port of the air compression chamber.
To this end, the various aspects of the present invention provide a novel collector, an air compression chamber arrangement that is particularly suitable for use with the novel collector, and the periodicity described above. And an independent novel wind turbine that operates to rotate in one direction under normal reciprocating airflow conditions.
Although various aspects of the present invention are described herein in combination to form a complete energy conversion system, each of these components, particularly turbine components, is also suitable for use in other unrelated applications. Please understand that there is. Alternatively, each may be incorporated into a similar energy conversion system when combined with other new or existing component devices not described in detail in this document.
Background of the Invention
Environments such as waves, winds, tidal currents, geothermal and solar heat, due to the limited resources of conventional combustible hydrocarbon fuel sources and the concern about the harmful waste produced by using such fuels Considerable research has been conducted on energy sources that can be sustained without polluting the environment.
While significant technological progress has been made in converting energy from others such as wind and solar heat, the majority of wind power systems proposed to date lack physical utility and / or Or it is not economically practical.
In view of this, a number of different types of wave power systems have been proposed, most of which are based on the basic principle using vertical motion inherent to wave motion, and the components of the power system accordingly. It is displaced. However, all the proposed systems have limitations.
For example, one such system uses a floating body that vibrates and converts its motion directly or indirectly into electrical power. However, these floating systems typically have poor energy conversion efficiency and cannot withstand bad weather conditions. This means that such systems are limited to use in coastal areas where the wave pattern is calm and predictable, or protect the system with a suitable shelter when a storm appears to come .
Other systems include those based on concepts such as carrying waves through drainage pumps or storing water in large tanks or reservoirs and using the hydrostatic pressure of this stored water to drive turbine generators. Again, the overall energy conversion efficiency is relatively low at the expense of associated investment costs.
Of the other types of options proposed so far, one of the most promising alternatives is also the basis of the present invention, converting wave vertical movements into rotational movements directly or directly It indirectly drives the generator. In these systems, the vertical movement of seawater is transmitted and motive power is generated in the air compression chamber. The air compression chamber has an exhaust duct or venturi on the outlet side, in which a kind of wind turbine operable to rotate in one direction under a periodic oscillating air flow generated by wave motion is arranged. Yes.
Again, the main drawback of such latter wave-driven air turbine system is that the overall achievable energy efficiency is limited. This is mainly due to the operational efficiency which is unavoidable in the design of this turbine, firstly, the means for collecting the wave energy to the maximum wave displacement amplitude is limited.
In the first case, most of the prior art collectors rely on the wavefront rebound and / or movement of the wavefront through a narrow aperture so that the vertical displacement or amplitude of the wave is increased. ing. Others include various means of changing the shape of the seabed and blocking the wave propagation while controlling it, thereby maximizing the wave amplitude at a predetermined location. Again, this type of system is so far limited in terms of the maximum wave amplitude that can be achieved instead of a certain level of capital investment.
In the second case, most of the prior art turbines are designed to rotate at a constant speed in response to fluid flow in only one direction, and are themselves applications of wave power generation of the kind described above. It is impossible to perform continuous operation in response to the reciprocating fluid flow conditions that occur in However, a number of specially configured one-way turbines have been designed for these reciprocating flow conditions, and the most commonly used equipment is based on what is known as a “Wells” turbine.
The original Wells turbine has blades whose airfoil sections extend in a radial direction that is substantially symmetrical about the chord line, and these blades are lifted perpendicular to the axis of the blade and fixed to the blade surface at zero. It was a monoplane axial flow type structure.
However, these early turbines were known to have stall problems, which caused the wave energy power plant to shut down. This stall has to be designed around the predicted airflow level for such turbines, but this is due to the fact that it is impossible to control the waves entering the turbine air chamber in all cases. Is. Thus, when a large wave enters the air chamber, the moment causes fairly high speed air to pass through the turbine blades. The blade shape increases the rotation speed of the blade correspondingly and cannot cope with the increased air flow. Therefore, the angle of attack of the air flow with respect to the blade increases, exceeds the stall angle, and the turbine stops. .
In the latter prior art device, two monoplane wells turbines were installed efficiently in series to obtain a bi-plane turbine, and an attempt was made to overcome the above problems. There is something. Such a partially modified system solves the problem of stalling, but at the cost of lower overall efficiency. This is done by sacrificing the first set of blades by allowing the first set of blades to stall and stop accordingly, while continuing to operate at a reduced pace and efficiency with the second set of blades. Because it is. This is because the air flow as a whole is reduced and blocked by the first turbine stalling and shutting off the air flow.
These prior art turbines also typically rely on low rotation, high mass configurations to provide smooth continuous rotation under conditions where periodic reciprocating airflow of the type described above is supplied.
It will therefore be appreciated that most prior art turbines suitable for this type of application are often very complex in design and usually have severe constraints on operating conditions and / or efficiency.
It is an object of the present invention to overcome or at least reduce one or more of the disadvantages of the prior art described above, or at least be a useful alternative to these wave energy extraction systems and / or one or more thereof. To provide multiple components.
Disclosure of the invention
According to the first aspect of the present invention, the boundary is defined by a substantially upright wall configured to define two convergent side walls having a substantially partial parabolic curvature at the inner periphery from the bay inlet. The parabolic axes of the parabolas on the extension of the wall are parallel, the side walls are joined adjacent their converging ends to form a common top, and the walls are substantially parallel to the symmetrical axis. Placed in a direction to accept traveling waves propagating in parallel directions, when the waves bounce off the wall, the waves are in the energy-powered region near the top at the position of each focal point of the parabola or adjacent to the focal point. By converging, a plane wave collecting and amplifying structure that amplifies the vertical displacement of the wave in that region is obtained.
Preferably, converging sidewalls of partial parabolic curvature are joined at a common top by an end wall portion that also defines the rear wall portion of the air compression chamber, and the front wall of the compression chamber extends in front of the rear wall portion. The front wall cross-section is defined by the cross-section and defines a predetermined area boundary around the energy-powered region so that the water forming the wave flows under the front wall and up the compression chamber Only a part extends below the water level.
In a preferred form, the wall is configured to define a single parabola or an end portion of a shape very similar to it at the inner circumference in a planar cross section, and when the wave bounces off the wall, the wave It converges at the single focal position of the parabola or at the area adjacent to it.
In another form, which may keep the construction cost low, the structure is equipped with an air compression chamber, the rear wall part is partly formed by the existing coastline, and the partial parabolic curvature extends from the wall of the compression chamber. The bay may simply be defined by two possible relatively short side walls having Usually, any compromise on the length of the parabola-curved sidewall is compensated by extending the planar area of the air compression chamber that defines the boundary of the energy-powered region.
Preferably, the bay boundary is further defined at the bottom of the bay by a substantially flat seabed at a certain depth along a direction substantially perpendicular to the axis of symmetry of the parabola. The depth of the seabed and the slope (if there is a slope) can vary depending on the local formation, wave conditions and how the amplified waves are motivated for energy extraction. The general goal is to optimize local conditions so that ideally the wave magnification can be maximized without breaking before entering the motorized region. For example, in a preferred form, the seabed may be tilted upward toward the motorized area and helped to collect water upwards at that location.
Preferably, the focal length of the parabola is 1/7 or less of the approach wavelength, which in many cases results in a focal length of 5-15 meters.
According to a second aspect of the present invention, a turbine that is operable to rotate in one direction when a substantially axial reciprocating fluid flow passes and includes a blade, the blade comprising:
A central hub,
A plurality of blades having a cross-sectional airfoil extending straight in a radial direction and each connected to the hub,
The cross-section of each of the blades is substantially symmetric about a line defining a maximum warp height, and is substantially constant from end to end in the radial direction;
This provides a turbine in which the generally symmetric shape of the blade orientation relative to the blade and hub facilitates rotating blades in one direction in response to an axial reciprocating fluid flow through the blade.
Preferably, each blade is connected to the hub such that the maximum internal angle between the chord surface of the airfoil section and the axis of the hub is 0 ° to 90 °, more preferably 0 ° to 45 °, for example. Yes.
Desirably, the aforementioned maximum interior angle is adjustable and can preferably be reversed in synchronism with the reciprocating fluid flow, thereby optimizing the angle of attack for fluid flow in both directions.
It should be understood that blade pitch reversal can be accomplished in a variety of ways, for example, using a motor driven bevel gear assembly arranged to rotate a central spigot on which each blade is mounted. In another variant, each blade is mounted on a spigot having an offset working side wall that cooperates with a helically keyed working shaft that is reciprocable along the axis of the blade. .
In a preferred form suitable for a particular combination of conditions, the maximum interior angle is between -30 ° and + 30 ° and is reversible in response to reciprocating fluid flow. In another preferred form that is particularly suitable for applications of the type described herein where the working fluid is a gas such as air, the reversal of the blade pitch is a pressure arranged to detect the reversal point of the gas flow. By means of responding to the transducer.
Desirably, the blades are arranged at equal intervals around the central hub. In some preferred forms suitable for a particular application, the blade includes 4 to 16 blades. The chordal ratio can be changed in a wide range and is often included in the range of 0.2 to 0.8. The preferred blade chord ratio is 18% and the preferred airfoil comprises a merged form of the front half of a standard NACA 65-418 airfoil.
According to a third aspect of the invention,
A wave collecting means for enlarging a periodic vertical peak to obtain a wave-bottom displacement of an incoming wave at a predetermined plane position;
A periodic reciprocating air that has a water intake port submerged substantially in water, and is disposed at the predetermined plane position or immediately adjacent thereto, and a large amount of air is displaced on the position. An air compression chamber for receiving periodically oscillating waves so that a flow is generated,
A wave energy extraction system is also provided which also has an air outlet with an air driven turbine in which the compressed air chamber operates to rotate in one direction in response to the reciprocating air flow.
Desirably, the turbine is constructed in accordance with the second aspect of the present invention.
Preferably, the wave collecting means includes the substantially parabolic plane wave collecting and amplifying structure according to the first aspect of the present invention, and the apex of the parabola falls within a predetermined plane position.
Desirably, the air compression chamber is configured to converge from the water intake port toward the exhaust port so as to accelerate the air flow. In a preferred form, the air compression chamber includes a venturi adjacent to its exhaust and an air driven turbine is located in the neck of the venturi.
In another preferred form, the air compression chamber exhaust and / or shroud and / or vane associated with the turbine may include guide vanes for optimizing the direction of air flow into and out of the turbine.
[Brief description of the drawings]
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described as an example with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of a concentrating amplification structure according to the first aspect of the present invention, wherein the side wall from the cove is formed by two partial parabolic portions having parallel and spaced apart axes of symmetry. It is a schematic plan view.
FIG. 2 shows a plane wave converging amplification of a second embodiment according to the first aspect of the present invention in which the wall is substantially defined by the end of one parabola and shows the maximum wave trough displacement achievable in the motorized region. It is a schematic perspective view by the computer production | generation of a structure.
FIG. 3 is a computer-generated schematic perspective view of the structure shown in FIG. 2 showing the maximum wavefront displacement obtained in the energy-powered region.
FIG. 4 is a reduced graph of the parabolic plane wave collecting apparatus of the second embodiment as shown in FIGS. 2 and 3.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the plane wave partial parabolic concentrating amplification structure of the third embodiment.
FIG. 6 is a schematic perspective view of a turbine blade of the first embodiment according to the second aspect of the present invention, in which the blade is fixed to the central hub shaft at an internal angle of 0 °.
FIG. 7 is a schematic of a turbine blade of a second embodiment according to the second aspect of the present invention where the blade pitch is adjustable and the pitch can be reversed in response to reciprocating air flow through the turbine. It is a perspective view.
FIG. 8 is a partial view of the turbine blade of FIG. 7 showing one blade and a connecting portion of the blade to the hub.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of one blade of the turbine blade shown in FIGS. 6, 7 and 8.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a blade pitch change reversal mechanism of the turbine of the first embodiment.
FIG. 11 is a partial plan view of the mechanism shown in FIG.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a blade pitch change reversal mechanism of the turbine of the second embodiment.
FIG. 13 is a partial plan view of the mechanism shown in FIG.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the wave energy extracting apparatus according to the first embodiment of the third aspect of the present invention.
Preferred embodiments of the invention
Referring first to FIG. 1, there is shown a collecting structure of a first embodiment according to a first aspect of the present invention, generally designated by the reference numeral 1.
The structure 1 includes an entrance 2 formed by a tide wall 3 that is substantially upright. The wall 3 is concavely curved at the inner peripheral portion 4 thereof, and defines two converging side walls 5 having a substantially partial parabolic curvature by a plane. The respective axes of symmetry 6 and 7 of the parabola on the extension of the side wall are parallel to each other. The side walls 5 are joined adjacent to their convergent ends to form a common top 8. The wall 3 is arranged in such a direction as to accept a traveling wave propagating in a direction substantially parallel to the symmetry axes 6 and 7.
Figure 5 shows that it would be too expensive or impossible to build a wall in the bay that has a long parabolic side wall that extends outwardly towards the bay as part of the surrounding coastline FIG. 5 shows another variation of the structure shown in FIG. In this case, a parabolic side wall 5 composed of a relatively short portion directly connected to the common top portion 8 is formed, whereby a wall portion of the air compression chamber indicated by 11 in the cross-sectional view is formed at the same time as a compromise.
2, 3 and 4 show a preferred form in which the structure is formed as a single parabola with a single focal point 9 or an end portion of a shape very close to it.
Ocean waves have enormous amounts of energy, but are usually plane waves, so the energy at each wave front is dissipated along the wave front. The purpose of the parabolic or partially parabolic collecting structure according to the first aspect of the present invention is to move or converge this energy to one central region from which it can be energized. is there.
In use, the wave collecting structure is oriented as described above so that the plane wave advances in a direction substantially parallel to one (or both) of the symmetry axes 6 and 7 toward the parabolic or partially parabolic wall 3. Is arranged in. When hitting the parabolic part 5 of the wall 3, the waves bounce back and converge towards the corresponding focal point 9 or 9 and 10 of each parabola. If the wall defines a part of a single parabola as shown in the second preferred embodiment of FIGS. 2, 3 and 4, the wave will travel to a single focal point 9 as a circular or polar wave. To converge. At this point, the wave displacement amplitude becomes considerably larger, and this point becomes a perfect plane position where a suitable means for converting the seawater displacement into another more readily available energy form is installed. This is defined in FIG. 5 as an energy kinetic region, generally indicated at 12, corresponding to the position of the air compression chamber 11. Obviously, the size of this area in the plane is not particularly determined and is determined in part by the energy dissipation achieved in this area.
It should be noted that there are several conditions that must be satisfied in order to maximize energy recovery using the above-described substantially parabolic or partially parabolic collecting amplification structures.
First, the wave crest must propagate in an ideal way that is nearly parallel to the symmetry axes 6 and 7 of each parabola. Slight fluctuations may be acceptable with only a small loss of energy, but as the angle between one or more symmetry axes and the wave propagation direction increases, more energy is dissipated in the energy concentration area. Exists and the system becomes inefficient. Since the water depth gradually becomes shallower along the coast and the incident angle of the wave does not change greatly, it is not usually of great concern to install the wave collecting structure in the correct direction.
Ideally, after the portion of the plane wave has entered the parabolic domain, the seabed should be flat or planar through the axis of the parabola and be deep enough to avoid disturbing the direction of the wave. . Alternatively, in other cases, the ocean floor is configured so that it does not break before entering the motorized region when the crest grows due to non-linear effects. Preliminary studies have shown that a depth of about 6 meters at the bay is sufficient for one particular application, but this is greatest under swell conditions.
If the energy is initially dispersed due to a very large triangular wave or an irregular approach wave, the energy is also somewhat dispersed from the focal point 9 or 9 and 10. The energy loss due to this or the energy loss due to any of the above-mentioned conditions is reduced by appropriately selecting the focal length so as not to give the wave a time or spatial allowance that changes significantly within the parabolic domain. It is possible. Again, preliminary studies have shown that a focal length of about 1/7 wavelength is appropriate for various applications. Since the wavelength is generally 35 to 105 meters, it is about 5 to 15 meters in terms of focal length.
This type of concentrator has great potential, and it is a computer simulation that 24% more energy flows into the parabolic domain than is present in a non-aggregated wave of a length corresponding to the opening width of the parabola. It is clear from This is a calculation where the wave is about tripled. In the test on the data, it was found that a magnification of 2.5 can be easily obtained.
However, due to the actual loss, the maximum theoretical energy level is not reached. For example, when actually operating a single parabolic structure, a circular wave converging at the focal point will not actually be a perfect circle because there are sectors lost on the open ocean side. At the edge of this lost sector, there is some energy diffraction into the parabolic domain. There are also losses due to interference reflections from coastal structures located adjacent to parabolic bays and irregularities in the sea floor.
The preferred means for accomplishing the above energy extraction and conversion will now be described with reference to the second and third aspects of the invention and the associated FIGS. 6-14.
Referring to FIG. 6, there is shown a turbine blade 20 of a first embodiment turbine according to a second aspect of the present invention operable to rotate in one direction when a substantially axial reciprocating fluid flow passes. ing.
The blade 20 includes a central hub 21 having an axis 22. Extending from this axis are a plurality of blades 23 of airfoil cross-section extending straight in the radial direction.
Desirably, blade 23 has a generally contoured airfoil cross-section as shown in FIG. 9 with a generally flat surface 24 on one side and a generally convex surface 25 on the opposite side. The entire chord line (also shown as the chord plane extending in the longitudinal direction of the blade is also shown) at 26. As shown in the figure, the cross section of each blade is also substantially symmetric about a line 27 defining the maximum warp height of the blade cross section, and is almost constant from end to end in the radial direction.
In the first embodiment shown in FIG. 6, the chord surface of each blade is arranged in a row or parallel to the central hub shaft 22 at an internal angle of 0 °. Thus, the air flow entering the turbine has the same incident angle with respect to the blade blade 23 regardless of the axial direction, and the rotation of the blade is the same as described above. In view of this, the net force exerted on the substantially flat blade surface 24 as the fluid passes is due to the Bernoulli effect and the pressure difference obtained between the flat and convex sides of the blade. The fluid flow from any direction is the same, and the magnitude depends on the relative air flow in the two opposite directions.
Such a fixed blade configuration is satisfactory for various applications at low speeds, but as the rotating speed of the rotor blades increases, the angle of attack of the drive flow becomes less optimal and increases the operating efficiency of the turbine. Influenced.
To address this problem, a second variable pitch embodiment of the present invention is proposed as shown in FIGS. In this embodiment, each blade 23 is connected to the central hub 21 by a central spigot 28 or the like. The spigot facilitates blade rotation and changes pitch by a suitable intermediate mechanism.
Preferably, the mechanism for adjusting the blade pitch is configured so that the pitch automatically reverses in synchronism with the reciprocating fluid flow through the blade and the angle of attack is optimized in both directions. Please be careful. Obviously, if the blades are fixed so that they are optimized in only one direction, the reversal of airflow will most likely provide any benefit that can be obtained with the fixed parallel blade configuration shown in FIG. It will have more negative effects than offsetting.
10 to 13 show two preferred mechanisms as an example. In view of this point, FIGS. 10 and 11 show a simple arrangement in which each blade 23 is fixed to a spigot 28 located in the center by a sleeve 29 and this spigot is fixedly connected to a hub 21 of a moving blade. . Similarly, fixedly connected to the hub 21 is a suitable motor 30 for driving a pinion gear 31 suspended in the axial direction. The pinion engages with a spur gear 32 having an associated annular bevel gear 33 that is freely rotatable about the central hub 21.
A bevel gear 34 that is smaller than the sleeve and engages with an annular bevel gear 33 is provided at the end of the sleeve 29 of the spigot 28 in the center of the blade 23. A similar arrangement is made for each blade. In this way, even while the turbine is rotating at high speed, the inclination of the blade relative to the axis of the blade can be changed by the gear mechanism described above.
FIGS. 12 and 13 show another arrangement in which the rotation of the blade 23 is achieved by an axial reciprocation of an actuating collar 35 keyed in a diagonal direction. This collar keyway engages an engagement pin 36 attached to the offset actuation side wall 37, thereby rotating the blade about the central spigot 28.
Those skilled in the art of turbine design will appreciate that there are many parameters that need to be evaluated for specific conditions and energy content for each proposed application of this type of turbine. These parameters include blade aspect ratio (chord ratio), blade chord length, turbine chord ratio (effectively blade length to hub diameter ratio), number of blades, blade airflow direction. For example, the maximum angle (ie, blade pitch) that can be directed. An example proposed as suitable for one particular application is a blade chord ratio of 18%, a chord length of 0.4 inches, a hub diameter of 1.2 meters, a blade length of 0.45 inches, for a total of 12 In the blade, the maximum internal angle between the chord surface of the blade and the hub shaft is 30 °. A preferred airfoil includes a merged form of the front half of a standard NACA 65-418 airfoil.
Turning now to FIG. 14, there is shown a schematic cross-sectional view of a first embodiment of the wave energy extraction system 40 according to the third aspect of the present invention.
The system 40 has collecting means indicated generally at 41. This wave collecting means is used to increase the periodic vertical peak to obtain the wave-bottom displacement of the approach wave at a predetermined plane position whose center is indicated by a line 42, that is, the motorized region 12.
It is the air compression chamber 43 that is located at the location of the planar position 42 that delimits the motorized region or at a location immediately adjacent thereto. The compression chamber has a water inlet 44 submerged substantially in water, and is sized so that a large amount of air 45 is displaced to generate a corresponding reciprocating air flow when a periodic vibration wave flows.
Desirably, the compression chamber converges toward an exhaust port 46 provided with or adjacent to an air driven turbine, indicated generally at 47.
In use, the incoming wave is collected so that the periodic vertical peak can be increased adjacent to the position 42 to create a wave bottom displacement. In this way, the reciprocating body or the water column vibrates in the air compression chamber 43 through the water suction port 44, whereby the air 45 acts like a piston. For example, at the time of a close wave, the air 45 is displaced toward the exhaust port 46, approaches the wall of the compression chamber and the duct, and accelerates the displaced air flow. The air flow thus accelerated can be forcibly sent to an air-driven turbine, and the rotation can be used at a power plant or the like. During a pulling wave, air is pulled downwards into the compression chamber and re-rotates the turbine configured to operate in one direction in response to the reciprocating air flow.
In a preferred form, the system utilizes the parabolic concentrator of the first aspect of the invention and the one-way turbine according to the second aspect of the invention. Thus, by combining the excellent efficiency of each of these mechanisms, a wave energy extraction process with extremely high practicality can be obtained.
However, as indicated above, each component of this system, particularly the concentrator and turbine, can each be used in other applications or in combination with other devices not described in detail herein. Obviously, you can do that too. This is particularly relevant for turbines having a large number of unrelated applications that are used with various working fluids.
Thus, in brief summary, although aspects of the invention have been described with reference to specific examples, each of these various aspects, and particularly combinations of systems incorporating these aspects, can have various different forms. It will be apparent that both are included within the scope of the embodiments of the invention claimed below.

Claims (15)

ほぼ軸方向の往復気体流が通過する場合に一方向に回転するよう動作可能であり、動翼を含むタービンであって、前記動翼が、
中央ハブと、
半径方向にまっすぐ延在し、各々前記ハブに連結された断面翼形の複数のブレードと、を備え、
前記ブレードの各々が、対向する非平行の表面と、連続して屈曲した表面を有する先端部とを備え、
前記ブレードの各々の断面が、最大反り高を規定している線を中心にほぼ対称であり、半径方向の端から端までがほぼ一定であって、
ハブに対するブレードの向き、およびブレードのほぼ対称な形状によって、ブレードを通過する軸方向の往復気体流に応じて動翼が一方向に回転しやすくなり、
ブレードのピッチが往復気体流に同期して反転可能であり、ブレードピッチの反転が気体流の反転を検出するように配置された圧力変換器に応答する手段によって達成されることを特徴とするタービン。
A turbine that is operable to rotate in one direction when a reciprocating gas flow in a substantially axial direction passes and includes a blade, wherein the blade is
A central hub,
A plurality of blades having a cross-sectional airfoil extending straight in a radial direction and each connected to the hub,
Each of the blades includes an opposing non-parallel surface and a tip having a continuously bent surface;
The cross-section of each of the blades is substantially symmetric about a line defining a maximum warp height, and is substantially constant from end to end in the radial direction;
The orientation of the blade relative to the hub and the nearly symmetrical shape of the blade make it easier for the blade to rotate in one direction in response to the axial reciprocating gas flow through the blade,
Turbine characterized in that the pitch of the blades is reversible in synchronism with the reciprocating gas flow, the reversal of the blade pitch being achieved by means responsive to a pressure transducer arranged to detect the reversal of the gas flow .
前記ブレードの各々は、翼形断面の翼弦面とハブの軸との最大内角が0°〜90°となるようにハブに連結されている請求項1に記載のタービン。The turbine according to claim 1, wherein each of the blades is connected to the hub such that a maximum internal angle between a chord surface of the airfoil cross section and a shaft of the hub is 0 ° to 90 °. ブレードのピッチを可変調節可能である請求項1に記載のタービン。The turbine according to claim 1, wherein the blade pitch is variably adjustable. ハブと一緒に取り付けられ、ブレードをハブに取り付けている中央のスピゴットを中心に各ブレードを回転させるように配置された、適宜駆動されるベベルギアアセンブリを備えるブレードピッチ変更または反転メカニズムを含む請求項3に記載のタービン。4. A blade pitch changing or reversing mechanism comprising a suitably driven bevel gear assembly mounted with the hub and arranged to rotate each blade about a central spigot attaching the blade to the hub. The turbine described in 1. ブレードピッチ変更または反転メカニズムを含み、各ブレードが、動翼の軸に沿って往復移動可能である、対角線方向にキー溝が施された作動軸と協動するオフセット動作側壁を有するスピゴットに取り付けられ、これによってスピゴットを中心にブレードを回転させる請求項3に記載のタービン。Includes a blade pitch change or reversal mechanism, each blade is attached to a spigot having an offset motion side wall that cooperates with a diagonally keyed actuation shaft that is reciprocable along the axis of the blade 4. The turbine according to claim 3, wherein the blade is rotated about the spigot. 最大ピッチすなわち内角が−30°〜+30°の間である請求項1に記載のタービン。The turbine according to claim 1, wherein the maximum pitch or interior angle is between −30 ° and + 30 °. 動翼が4枚から16枚のブレードを含む請求項1に記載のタービン。The turbine according to claim 1, wherein the rotor blade includes 4 to 16 blades. タービンの弦節比が0.2〜0.8の範囲である請求項1に記載のタービン。The turbine according to claim 1, wherein a chord ratio of the turbine is in a range of 0.2 to 0.8. ブレード翼弦比が18%である請求項1に記載のタービン。The turbine according to claim 1, wherein the blade chord ratio is 18%. 翼形が、標準的なNACA65−418翼形の前半分の部分がマージされた形を含む請求項1に記載のタービン。The turbine of claim 1, wherein the airfoil comprises a merged shape of the front half of a standard NACA 65-418 airfoil. 前記タービンが波浪エネルギ抽出システムの一部であり、
該波浪エネルギ抽出システムが、
予め定められた平面位置において、周期的な垂直ピークを大きくして進入波の波底変位とする集波手段と、
ほぼ水中に沈んだ吸水口を有し、前記予め定められた平面位置の場所またはこれにすぐ隣接した場所に配置されて、多量の空気がその上で変位することで対応する周期的な往復空気流が生成されるように、周期的に振動する波を受け入れる空気圧縮室と、
を含み、
前記圧縮空気室が排気口も有し、
前記タービンが該排気口内に設けられた請求項1に記載のタービン。
The turbine is part of a wave energy extraction system;
The wave energy extraction system comprises:
A wave collecting means for enlarging a periodic vertical peak to obtain a wave-bottom displacement of an incoming wave at a predetermined plane position;
A periodic reciprocating air that has a water intake port submerged substantially in water, and is disposed at the predetermined plane position or immediately adjacent thereto, and a large amount of air is displaced on the position. An air compression chamber that accepts periodically oscillating waves so that a flow is generated;
Including
The compressed air chamber also has an exhaust port;
The turbine according to claim 1, wherein the turbine is provided in the exhaust port.
前記空気圧縮室が、空気流を加速するように吸水口から排気口に向かって収斂する請求項11に記載のタービン。The turbine according to claim 11, wherein the air compression chamber converges from a water intake port toward an exhaust port so as to accelerate an air flow. 前記空気圧縮室が、その排気口に隣接したベンチュリを含み、空気駆動式タービンがベンチュリの首部内に位置する請求項11に記載のタービン。The turbine of claim 11, wherein the air compression chamber includes a venturi adjacent to an exhaust thereof, and the air driven turbine is located in a neck of the venturi. タービンに関連した空気圧縮室排気口および/または囲い板が、タービンに出入りする空気流の方向を最適化するための案内羽根を含む請求項11に記載のタービン。The turbine of claim 11, wherein the air compression chamber exhaust and / or shroud associated with the turbine includes guide vanes for optimizing the direction of air flow into and out of the turbine. ほぼ軸方向の往復流体流が通過する場合に一方向に回転するよう動作可能であり、動翼を含むタービンであって、前記動翼が、A turbine that is operable to rotate in one direction when a substantially axial reciprocating fluid flow passes and includes a blade, wherein the blade comprises:
中央ハブと、A central hub,
半径方向にまっすぐ延在し、各々前記ハブに連結された断面翼形の複数のブレードと、A plurality of airfoil blades that extend radially straight and each connected to the hub;
各ブレードが、動翼の軸に沿って往復移動可能である、対角線方向にキー溝が施された作動軸と協動するオフセット動作側壁を有するスピゴットに取り付けられ、これによってスピゴットを中心にブレードを回転させるブレードピッチ変更または反転メカニズムと、を備え、Each blade is attached to a spigot having an offset motion side wall that cooperates with a diagonally keyed actuation shaft that is reciprocable along the axis of the blade, thereby allowing the blade to be centered about the spigot. A rotating blade pitch changing or reversing mechanism, and
前記ブレードの各々の断面が、最大反り高を規定している線を中心にほぼ対称であり、半径方向の端から端までがほぼ一定であって、The cross-section of each of the blades is substantially symmetric about a line defining a maximum warp height, and is substantially constant from end to end in the radial direction;
ハブに対するブレードの向き、およびブレードのほぼ対称な形状によって、ブレードを通過する軸方向の往復流体流に応じて動翼が一方向に回転しやすくなるタービン。A turbine in which the blades tend to rotate in one direction in response to an axial reciprocating fluid flow through the blades due to the orientation of the blades relative to the hub and the generally symmetrical shape of the blades.
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